Tema 9

Tema 9 . Metabolismo en quimioheterótrofos

La oxidación de compuestos orgánicos
o idación comp estos
Catabolismo de quimioheterótrofos en aerobiosis
Transformación de compuestos orgánicos en pirúvico
Generalidades de las rutas catabólicas
Ruta glucolítica de Embden-Meyerhof-Parnas
Ruta de Entner Doudoroff
Ruta de las pentosas fosfato
Transformación de pirúvico a CO2: Ciclo TCA: flujo de electrones al
CO2 y reducción del NAD+

Transporte de electrones en cadena respiratoria aerobica:
transportadores y diversidad
Catabolismo de quimioheterótrofos en anaerobiosis
La respiración anaeróbica: características y tipos
La fermentación: concepto y tipos generales y significado
1


Objetivos del tema
1. Conocer el flujo de energía a través de las rutas de respiración y
j g p
fermentación de la glucosa
2. Papel de las reacciones redox en la fosforilación oxidativa
3. Conocer las principales características de las rutas de respiración y
fermentación
4.
4 Familiarizarse con el acoplamiento entre energía y flujo de electrones
en las rutas de respiración y fermentación
5. Describir las funciones del ciclo de Krebs
6. Conocer las funciones de los transportadores de electrones en las
respiraciones celulares
7.
7 Definir respiración anaerobia y conocer que tipos de microorganismos
llevan a cabo este proceso y en que circunstancias.
8. Conocer las diferencias entre respiración aerobia y anaerobia
9. Describir la fermentación su importancia y/o significado 2



3


Metabolismo en
Quimioheterotrofos

Compuestos orgánicos

Catabolismo Anabolismo

Energia Componentes
celulares

Productos
4


Electrones

Transportadores
de electrones

Metabolismo en
Quimioheterotrofos

Aceptores fi l de electrones
A t finales d l t
Otras moléculas Moléculas
Oxígeno inorgánicas orgánicas

Resp.
Resp Resp.
Resp Fermentación
F t ió
aeróbica anaeróbica 5



Compuesto orgánico

Flujo
Electron
no
electrones
flow
Flujo carbon

Transp.
Electrones Electrones
+ O2

Poder
Reductor

Flujo carbono Precursores DNA
metabólicos RNA
Proteinas

6


Esquema de la respiración aeróbica en heterotrofos

Glucolisis +
TCA

Regeneración de
ATPasa
los cofactores
oxidados Sistema de transporte
de electrones

7



OXIDACIÓN DE LA GLUCOSA

Esquema de la ruta glucolítica de Embden-Meyerhof-Parnas

8


g y
Finalidad:
Energía y precursores metabólicos
También en PTS

Polisacáridos, pentosas fosfato, aminoácidos
aromáticos

Aminoazúcares (murámico y NAG de P.C).

F-diP-ALDOLASA
F-diP-ALDOLASA: fructosa 1,6-
difosfato aldolasa

Serina, glicina,
Serina glicina cisteína

aminoácidos aromáticos, ácido murámico

Reacción completa:

Glucosa + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ →2 Piruvato + 2ATP+ 2NADH+2H+
9


Pseudomonas, Azotobacter, Xanthomonas

Para la degradación de ácidos aldónicos
se inducen enzimas claves:
6P gluconato
6P-gluconato dehidratasa
KDPG- aldolasa: cetodesoxifosfogluconato
aldolasa

KDPG-ALDOLASA

Reacción completa:

Glucosa + ADP + Pi + 2NAD+ →2 Piruvato + ATP+ 2NADH+2H+
10


Ruta de las pe tosas fosfato: ruta de 6-fosfogluconato
uta as pentosas os ato uta del 6 os og uco ato

reacciones no oxidativas

Ruta catabólica en fermentadores heterolácticos que carecen de la enzima
glucolítica clave: fructosa 1,6 di fosfato aldolasa
Finalidad: Alternativa para la oxidación de glucosa
Obtener poder reductor para la biosíntesis: NADPH+H
red ctor biosíntesis
Obtención de pentosas (ácidos nucléicos)
Obtener eritrosa 4-P para biosíntesis de aa aromáticos
Oxidación de pentosas
11


Principales rutas glucolíticas empleadas por bacterias
Fosfogluconato
Bacteria Embden-Meyerhof Entner-Doudoroff
(heterolactica)
Acetobacter
A t b t aceti
ti - + -
Agrobacterium
tumefaciens - - +
Azotobacter
vinelandii - - +
Bacillus subtilis principal minoritaria -
Escherichia coli + - -
Lactobacillus
acidophilus + - -
Leuconostoc
mesenteroides - + -
Pseudomonas
aeruginosa
i - - +
Vibrio cholerae minoritaria - principal
Zymomonas
y
mobilis - - +
12



13


Esquema de la respiración aeróbica en
heterotrofos
Glucolisis +
TCA

14


Transformación de pirúvico a CO2: Ciclo TCA: flujo de electrones al CO2 y
p j
reducción del NAD+

Finalidad:

Energía, poder reductor y precursores
metabólicos
4 Carbonos 6 Carbonos

Reacción completa:
Piruvato + ADP + Pi + 4NAD+ + FAD
→3CO2 + ATP+ 4NADH+4H+ + FADH+H+ 15


Reacciones anapleróticas
• El TCA proporciona intermediarios para la
p p p
síntesis de aminoácidos y pirimidinas
• Los microorganismos tienen reacciones
anapleróticas que alimentan el ciclo en
intermediarios para que pueda continuar
activo durante la biosíntesis.

16


Ciclo d l li
Ci l del glioxalato
l t
Ruta anaplerótica que
alimenta al ciclo de Krebs

En aerobios que crecen
sobre acetato o ácidos
grasos. Se inducen las
enzimas clave de este
ciclo y se reprime la
isocitrato deshidrogenasa

17


Carboxilaciones que realimentan en oxalacetato
C b il i li t l t t

• Algunos microorganismos pueden realimentar intermediarios del TCA
mediante la fijación de CO2
• No ejerce la misma función que la fijación de CO2 en autótrofos
• La fijación de CO2 anaplerótica simplemente reemplaza a
intermediarios del TCA y mantiene así el balance metabólico
• Algunos microorganismos utilizan la piruvato carboxilasa para
sintetizar oxalacetato. Ej. Arthrobacter, Pseudomonas…..

ATP ADP + Pi

Piruvato + CO2 Oxaloacetato
Piruvato carboxilasa

18


Fosfoenolpiruvato carboxilasa

• Algunos microorganismos utilizan la enzima
fosfoenolpiruvato carboxilasa para realimentar en OAA
el TCA. Ej. E. coli y Salmonella typhimurium

fosfoenolpiruvato
carboxilasa
Fosfoenolpiruvato + CO2 Oxaloacetato + Pi

19


Relaciones entre las principales rutas glucolíticas y el TCA.
p p g

•Las rutas son: EMP, ED y PPP; las
dos últimas convergen con la EMP a
nivel del Gliceraldehido 3P. Todas
producen piruvato que es oxidado a
acetil-CoA.
acetil-CoA
•En heterotrofos respiradores, el
acetil-Co-A es oxidado a CO2 en el
TCA. Los electrones se conservan en
C
NAD(P)H y FADH2 y se transfieren a la
c.t.e. con la formación de ATP.
•En heterotrofos fermetadores el
NADH se reoxida por un aceptor final
orgánico que se genera durante el
g q g
catabolismo.
•El TCA no opera como ruta oxidativa
durante el crecimiento fermentativo
fermentativo.
20


heterotrofos
Glucolisis +
TCA

Regeneración de
los cofactores Sistema de
transporte de
oxidados electrones

21


La cadena transportadora de electrones: principal sistema generador de
energía en procariotas respiradores. Acoplan el flujo de electrones en la
membrana a la creación de un potencial electroquímico de protón.
Los electrones fluyen desde los donadores primarios a aceptores terminales
a través de una serie de transportadores electrónicos.
t a és u a se e t a spo tado es e ect ó cos
La energía para producir el potencial protónico deriva de la diferencia de
potenciales electrodos de los transportadores así se convierte la diferencia
de potencial de electrodos en potencial electroquímico que puede servir
para producir ATP, rotación flagelar y otras actividades de la membrana 22


Transportadores de electrones y diversidad
Potenciales de reducción Potenciales de reducción
más electronegativos
g más electropositivos

0.8v

-0.32v

•Complejo deshidrogenasa
•Quinonas: lípidos isoprenoides
•Complejos citocromos: hemoproteinas
C

Dependiendo de la fuente de electrones las bacterias pueden
sintetizar y sustituir un complejo deshidrogenasa por otro.
23


AH2 → DESHIDROGENASAS → QUINONAS → OXIDASAS → O 2

Las cadenas transportadoras procarióticas suelen ser ramificadas a nivel de
las deshidrogenasas o de citocromos.
Las b t i
L bacterias pueden alterar sus c.t.e. según las condiciones de crecimiento
d lt t ú l di i d i i t
especialmente a la disponibilidad de oxígeno 24


heterotrofos
Glucolisis +
TCA

Regeneración de
los cofactores ATPasa Sistema de
transporte de
oxidados electrones

25


F1 es la fracción
catalítica

F0 actúa como un
canal de protones
entre el exterior y
el citoplasma
l i l

Estructura y función de la ATP sintetasa de membrana: funciona como una canal de protones entre el
citoplasma y el exterior. La fraccion F1 es la catalítica responsable de la conversión del ATP y ADP+
Pi. La fracción F0 está integrada en la membrana responsable del paso de protones a través de la
membrana (proteína conductora de protones).
Las ATP-asas de membrana pueden funcionar también en sentido inverso al de síntesis, como ATP-
hidrolasas: se produce hidrólisis de ATP y salida de protones al exterior. En esta dirección, se genera
un gradiente de protones a expensas de gasto de ATP intracelular El ATP y el gradiente de protones
intracelular.
se pueden considerar como formas diferentes e interconvertibles de energía celular.
26


Rendimiento en ATP de la oxidación de la glucosa en
respiración aeróbica (eucariotas y algunas bacterias)

27



28


Glucolisis +
TCA

ATPasa Sistema de transporte de
electrones
l t

Fumarato
CO2 : metanogénesis

Aceptores terminales diferentes del O2 Oxianiones de nitrógeno
Azufre y oxianiones de S
Ión ferroso y otros

AH2 → 29
DESHIDROGENASAS → QUINONAS → REDUCTASAS → ACEPTOR


Ejemplos de respiraciones anaeróbicas en procariotas

Producto
Aceptor reducido Denominación del proceso Ejemplos

Respiración anaerobia de
fumarato succinato Enterobacterias
c.orgánico

CO2 CH4 Metanogénesis Arqueas metanogénicas

Respiración anaerobia:
NO3- NO2- N2 Pseudomonas, Bacillus
desnitrificación

NO2- Respiración anaerobia:
NO3- Enterobacterias
reducción de nitratos
Sulfatorreductoras
SO42- S0 SH2 (Desulfovibrio,
reducción de sulfatos
Desulfotomaculum)

Fe3+ Fe2+ Pseudomonas, Bacillus
reducción de hierro 30


CO2 como aceptor de electrones

Los metanógenos son un grupo importante
MPH de reductores de CO2. Anaerobios obligados
del dominio Archaea que producen metano
como producto final.
d t fi l

La reacción:
CO2 + H2 + H+ →CH4 + H2O

E0´ (v) = - 0.24

Generación de un gradiente de protones durante la metanogénesis.
Los metanogenos utilizan los carbonatos y lo convierten en metano utilizando
hidrógeno como fuente de electrones
electrones.
MPH: es un transportador de electrones.
Los electrones procedente del H2 reducen al F420 (Coenzima) y este a la MPH
(
(metanofenacina) que los transfiere a través del cit b a la reductasa que se encarga de
)q q g
reducir el CO2 a CH4
31


Respiración anaerobia de nitratos y nitritos: reducción
desasimiladora de nitratos

H+ Aerobios y anaerobios
facultativos

E0´ (v) = + 0.4

Desnitrificación en la membrana: DH: NADH deshidrogenasa;
NAR: nitrato reductasa; NIR: nitrito reductasa; NOR: NO
reductasa y N2OR: N2OR reductasa

Las enterobacterias solo llevan a cabo la respiración de nitratos a nitritos (nitrato
reductasa).
Las bacterias desnitrificantes (Pseudomonas aeruginosa, Paracoccus
desnitrificans, Rhodobacter sphaeroides) pueden además reducir los nitritos a
gases en un proceso conocido como desnitrificación 32


Procesos de transporte de electrones en E. coli: respiración aeróbica y
anaeróbica con nitratos. Bajo condiciones de alta tensión de oxígeno en
óbi it t B j di i d lt t ió d í
el primer caso se translocan más protones que en condiciones de bajo
nivel de oxígeno y con nitratos en el medio externo.

33


Comparación de las reducciones asimiladoras y desasimiladoras de nitratos
p

Nitrato reductasa Nitrato reductasa
Asimiladora;
NO3
desasimiladora;
reprimida por NH3
desreprimida en anoxia

Amoniaco (NH3) Reducción
NO2 desasimiladora de
amoniaco (bacterias)

Nitrito reductasa Nitrito reductasa
Asimiladora; desasimiladora;
reprimida por NH3 desreprimida en anoxia

Hidroxilamina Oxido nítrico (NO)
[NH2OH] Oxido nítrico reductasa;
Productos finales son:
Desreprimida por anoxia
Incorporados al material
Amoniaco (NH3) Oxido nitroso (N2O)
celular
Oxido nítroso reductasa;
Excretados al medio Desreprimida por anoxia
Nitrógeno orgánico
g g
(R-NH2) Nitrógeno (N2)
34


Respiración anaerobia de sulfatos: reducción
p
desasimiladora de sulfatos

Generación d gradiente d protones en una b t i sulfato reductora. El H2
G ió de di t de t bacteria lf t d t
externo puede formarse también como producto de fermentación además de
por el catabolismo de lactato y piruvato
Bacterias lf t
B t i sulfato reductoras
d t
Hábitat: ambientes anaerobios marinos ricos en óxidos de azufre 35


Comparación de las reducciones asimiladoras y desasimiladoras de sulfatos

Sulfito reductasa
APS: Adenosina 5’ fosfosulfato
PAPS: Fosfoadenosina 5’ fosfosulfato

Excreción Compuesto de azufre
orgánico (cisteína, metionina)

Reducción Reducción
desasimiladora de asimiladora de
sulfato sulfato

36


Respiración anaerobia de hierro férrico:
reducción de hierro férrico

Fe+3 es abundante en los hábitat
El potencial de reducción es lo suficientemente electropositivo + 0.2 V
En quimioorganotrofos (compuestos orgánicos aromáticos)
En quimiolitotrofos (H2)
Acetato + 8 Fe3+ + 4 H2O 2 HCO3- + 8Fe 2+ + 9 H+
Anaerobios facultativos y
Ej: Geobacter, Geospirillum estrictos

Los microorganismos que utilizan óxidos de Fe3+ insolubles como aceptores de
electrones pueden tener una función importante en los ciclos de la materia en
sedimentos acuáticos y en biorremediación de aguas subterráneas contaminadas con
g
metales. Geobacter metallireducens, es un ejemplo que es capaz de obtener energía a
través de la reducción desasimiladora de hierro, manganeso y otros metales. Además
este microorganismo puede oxidar compuestos aromáticos contaminantes. Estas
características hacen a este microorganismo un agente posible de biorremediación.

37


Respiración anaerobia del fumarato
R i ió bi d l f t

Anaerobios facultativos E0 fumarato/succinato= 0 V

(Formato)

Producto excretado en
fermentación

Generación de gradiente de protones con fumarato como aceptor de
electrones.
El mecanismo redox con deshidrogenasa y fumarato reductasa (FR)

38


Otros aceptores de electrones orgánicos: DMSO y TMAO

DMSO: dimetilsulfóxido Anaerobios facultativos y
estrictos
H 3C O 2e
-
S
S + H 2O
+ H 3C CH3
CH3 2H

dimetilsulfóxido dimetilsulfuro E0´ (v) = + 0.16

TMAO: óxido de trimetilamina

CH3
2e-
H3C N+ CH3 CH3 N + H 2O
+ 3
2H
E0´ (v) = + 0.13
( )
O-
óxido de trimetilamina trimetilamina

39


Respiración anaeróbica: Resumen
p
Ocurre en ausencia de oxígeno cuando los niveles de oxígeno son muy bajos

Hay d
H cadena transportadora de electrones con los componentes básicos:
t t d d l t l t bá i

AH2 → deshidrogenasa → quinona → reductasa → B

Es una respiración en la que actúan otros aceptores de electrones diferentes de
oxígeno: nitratos, nitritos, sulfato, Carbonato entre otros.

Tiene un rendimiento energético inferior a la respiración aeróbica porque los
aceptores de electrones poseen potenciales de reducción menos positivos que el O2 y
por tanto la diferencia de potencial entre el donador y el aceptor es menor.
menor

Es útil porque permite la producción de ATP por fosforilación oxidativa en ausencia de
oxígeno.
oxígeno

Además las bacterias que realizan estas respiraciones pueden vivir en hábitat en los
que l aerobias no pueden hacerlo e interviene en los ciclos de la materia en la
las bi d h l i t i l i l d l t i l
biosfera. 40


La fermentación

La fermentation resulta ne numerosos productos finales que depende
de:
1. Tipo de microorganismo
2. Del sustrato
3. De las enzimas activas presentes 41


La fermentación: concepto
•Reoxidación de los aceptores de electrones reducidos por
metabolitos producidos en la propia ruta catabólica.
p p p
•Los aceptores de electrones son endógenos y orgánicos
•Reacciones redox citoplasmáticas
•ATP por fosforilación a nivel de sustrato
•No se quema completamente el sustrato
•Rendimiento en ATP menor que en las respiraciones
Rendimiento
•Donadores de electrones siempre orgánicos
•Ocurre sin la participación del oxígeno
p p g
•Excreción de gran cantidad de compuestos orgánicos
reducidos como alcoholes, ácidos, H2….

AH2 +NAD+ + Pi + ADP → B +NADH+H+ +ATP
B + NADH+H+ → BH2 (excretado) + NAD+


Tipos mas comunes de fermentaciones bacterianas
Tipo Productos Microorganismos
Levaduras (eucariotas)
( )
Alcohólica Etanol+ 2 CO2
Zymomonas
Homoláctica Láctico Streptococcus
Heteroáctica Láctico+etanol+CO2 Leuconostoc; Lactobacillus
Propionibacterium; Clostridium
Propiónica Propionico+ acético+ CO2
propionicum
Etanol+2,3-butanodiol+Succinico+
l 23b di l S i i Enterobacterias: E.coli,
b i li
Ácido-mixta
láctico+ Acético+Fórmico+H2+ CO2 Salmonella, Shigella; Klebsiella
2,3-butanodiol; etanol, láctico; Enterobacterias: Serratia;
Butanodiólica
H2+ CO2 Enterobacter
E t b t
Butírica Butírico+acético+ H2+ CO2 Clostridium butyricum
Acetona-
B tanol+acetona+ CO2+ H2
Butanol+acetona+ Clostridium acetobutylicum
Clostridi m acetob t lic m
butanol
Homoacética Acido acético Acetobacterium

43


44


Fermentación alcohólica:

Glucosa Zymomonas
2ADP+Pi 2NAD

2ATP 2NADH2

2 Piruvato
CoA SH VINO; CERVEZA
2CO2
2 Acetil Co A
2NADH2

2NAD

2 Etanol

Productos finales: Etanol y CO2

45


Fermentaciones de Enterobacterias:
Escherichia, Salmonella,
Fermentación ácido-mixta Shigella y algunos Klebsiella.
Etanol, acético,
Etanol acético
fórmico, láctico,
succínico, CO2 y H2.

Se detecta con la prueba de Rojo de Metilo

Gases

Fermentación butanodiólica
Enterobacter,
Enterobacter Serratia
y algunos Klebsiella.

Se detecta con la prueba de Voges-Proskauer

46


Fermentaciones Lácticas

Ruta del 6-
fosfogluconato

Fosfocetolasa

F.
F homoláctica
Quesos;
Yogourts

F. heteroláctica
Carecen de fructosa 1.6-difosfato
aldolasa.

Lactobacillus, Leuconostoc 47


Fermentación propiónica:
Clostridium propionicum

Propiónico + Acético + CO2 + ATP

Queso suizo

Fermentación butírica:
Clostridium

Butírico + acético + H2+ CO2 + ATP

48


Reacción de Stickland:

Acoplamiento de oxido-reducción de dos
aminoácidos (glicina y alanina) en Clostridium
sporogenes.
Alanina es el donador de electrones y la
glicina es el aceptor.
Productos: acetato, NH3 y CO2
P d t t t

49


Algunas aplicaciones de los productos de
Al li i d l d t d
fermentación

Queso suizo yogures, Vino, Quitaesmalte Vinagre
Qu taes a te
queso cerveza
cheddar, 50
salsa de soja


Conservación de energía en bacterias anaerobias

1.
1 ATP por fosforilación a nivel de sustrato (fermentadoras)
2. ATP por respiración anaerobia ( en facultativas y anaerobias): Aceptor
exógeno.
3. Generación del ∆p (potencial de membana) en fermentadores:
• Por acción de la ATPasa de membrana en sentido reverso
• Utilización del fumarato como aceptor en respiración anaerobia
• Oxidación periplasmica de H2 o formato (Wolinella succinogenes)
• Por simporte de ácidos orgánicos: Lactato/ H+ ; Succinato / Na+
• Descarboxilación del Oxalacetato ligado a salida de Na+ ( Klebsiella)
2 Na+ Citoplasma + OAA → 2 Na+exterior + Piruvato + CO2 exterior
Oxalacetato descarboxilasa

51


Cambios metabólicos en anaerobios facultativos a la anaerobiosis

Aerobiosis Anaerobiosis

Respuestas adaptativas de E. coli a condiciones anaerobias:
En aerobiosis: el TCA oxidativo proporciona electrones a la NADH deshidrogenasa y a la
succionato DH
En anaerobiosis el TCA no es cíclico es reductivo porque no se produce α-cetoglutarato DH.
Se altera la c.t.e. y los electrones no van al oxígeno sino a otras moléculas. Cuando está
presente el nitrato se sintetiza nitrato reductasa.
En ausencia de aceptores exógenos para la respiración anaeróbica, la principal ruta de
obtención de energía es la Fermentación 52


Objetivos del tema
1. Conocer el flujo de energía a través de las rutas de respiración y
j g p
fermentación de la glucosa
2. Papel de las reacciones redox en la fosforilación oxidativa
3. Conocer las principales características de las rutas de respiración y
fermentación
4.
4 Familiarizarse con el acoplamiento entre energía y flujo de electrones
en las rutas de respiración y fermentación
5. Describir las funciones del ciclo de Krebs
6. Conocer las funciones de los transportadores de electrones en las
respiraciones celulares
7.
7 Definir respiración anaerobia y conocer que tipos de microorganismos
llevan a cabo este proceso y en que circunstancias.
8. Conocer las diferencias entre respiración aerobia y anaerobia
9. Describir la fermentación su importancia y/o significado 53


BIBLIOGRAFÍA

1.LIBROS DE TEXTO:

•Nutrición y cultivo de microorganismos: principales rutas catabólicas transporte de electrones y
catabólicas,
fuerza motriz de protones. Brock Biología de los microorganismos (10ª Edición). Pearson Prentice
Hall. (2003).

•Diversidad metabólica: el sistema de vida anaerobico Brock Biología de los microorganismos (10ª
anaerobico.
Edición). Pearson Prentice Hall. (2003).

•Microbiología Industrial y biocatálisis: Caracteristicas de las fermentaciones a gran escala. Brock
Biología de los microorganismos (10ª Edición) Pearson Prentice Hall (2003)
Edición). Hall. (2003).

Metabolismo: liberación y conservación de la energía. Microbiología (5ª Edición). Prescott, Harley y
Klein. Mc Graw-Hill (2004).

2. Páginas Web:
Para el que tenga más curiosidad

http://www.gwu.edu/~mpb/
http // g ed / mpb/

http://www.accessexcellence.org/LC/SS/ferm_background.html

http://staff.jccc.net/PDECELL/cellresp/fermentation.html
http://staff jccc net/PDECELL/cellresp/fermentation html
54
http://www.icbm.de/pmbio/lehre/ws0607/vlphys/vlphys-08.pdf

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